SISMOB : améliorer la connaissance du comportement … · d’une nouvelle réglementation...
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SISMOB : améliorer la connaissance du comportement des ouvrages en bois en situation sismique Copyright FCBA INFO, Mars 2011 1
SISMOB : améliorer la connaissance du comportement des ouvrages en bois en situation sismique
Cet article présente les premiers résultats obtenus sur les panneaux à base
de bois en termes de ductilité et de coefficient de comportement, selon la
méthode d’interprétation relative aux règles de Eurocode 8 « Calcul des
structures pour leur résistance aux séismes ». Des essais dynamiques
seront réalisés pour compléter cette première approche.
Pour contacter les auteurs : Carole Faye [email protected] FCBA Pôle Industries Bois Construction Allée de Boutaut BP 227 33028 Bordeaux Cedex Tél : 05 56 43 63 03 Stéphane Hameury [email protected] CSTB (Centre scientifique et technique du bâtiment) 84 avenue Jean-Jaurès 77420 Champs-sur-Marne Tél : 01 61 44 80 52
SISMOB : améliorer la connaissance du comportement des ouvrages en bois en situation sismique
D’après les sources de la Direction Départementale des Territoires de l’Isère, « La
possibilité qu’un séisme fort se produise et engendre des victimes et des dégâts
importants est avérée en France métropolitaine. Un séisme du même type que celui
qui est survenu à Lambesc près de Salon-de-Provence, le 11 juin 1909, pourrait
causer de 400 à 1000 morts et 700 millions d’euros de coûts économiques
directs ».
En effet, la vulnérabilité des personnes et des biens s’est accrue du fait de
l’augmentation de la population française et de celle des constructions dont
l’effondrement est l’une des causes principales de la mort des personnes. Afin de
réduire la vulnérabilité au risque sismique, le Gouvernement a décidé d’engager dès
l’année 2005 le « Plan Séisme », un programme national de prévention du risque
sismique.
Depuis le 24 octobre 2010, la France dispose d’une nouvelle réglementation parasismique, entérinée par la parution au Journal Officiel de deux décrets (1, 2) sur le nouveau zonage sismique national et d’un arrêté (3) fixant les règles de construction parasismique à utiliser sur le territoire national. Ces textes permettront l’application des nouvelles règles Eurocode 8 : « Calcul des structures pour leur résistance aux séismes » à compter du 1er mai 2011.
Le territoire national est divisé en 5 zones de sismicité, allant de 1 (zone de très faible aléa) à 5 (zone d’aléa fort), représentées sur la carte ci-contre. La réglementation s’applique dans les zones de sismicité 2, 3, 4 et 5. (1) Décret n° 2010-1254 du 22 octobre 2010 relatif à la prévention du risque sismique (2) Décret n° 2010-1255 du 22 octobre 2010 portant sur la délimitation des zones de sismicité du territoire français (3) Arrêté du 22 octobre 2010 relatif à la classification et aux règles de construction parasismique applicables aux bâtiments de la classe dite « à risque normal »
Nouveau zonage sismique de la France
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Ainsi, au niveau réglementaire, l’évolution des textes officiels (des codes nationaux
PS92 aux codes européens Eurocode 8) implique que le pourcentage de zones
sismiques en France métropolitaine passe environ de 20 à 60 %. Dans ce contexte,
améliorer la connaissance du comportement en situation sismique des ouvrages
bois, dans le but d’optimiser leur dimensionnement, est un enjeu important pour
les entreprises de la filière. L’étude SISMOB, démarrée dés 2008 sur la base d’un
partenariat entre le CSTB et FCBA concerne plus particulièrement le comportement
parasismique des murs à ossature bois. Ce projet se déroule par étapes avec
différents financeurs (2008 : financement apporté par le Syndicat des maisons à
ossature bois, 2009 : DHUP, 2010-2012 : DHUP et CODIFAB).
L’objectif de cet article est de présenter les résultats obtenus sur les panneaux à
base de bois en termes de ductilité et de coefficient de comportement selon deux
approches : la première est la méthode d’interprétation relative aux règles
Eurocode 8 (EN 1998-1), la seconde est une nouvelle approche basée sur l’énergie
proposée dans le cadre de l’étude SISMOB. Afin de mieux comprendre l’importance
des paramètres étudiés : la ductilité et le coefficient de comportement, le
paragraphe suivant revient sur les règles Eurocode 8 dans le but rappeler la
méthode d’analyse élastique utilisant le coefficient de comportement « q ».
Analyse élastique et coefficient de comportement « q » selon les règles Eurocode 8
La vérification d’une structure aux états limites ultimes selon les règles Eurocode 8
peut s’effectuer sur la base d’une analyse linéaire, afin d’éviter les difficultés de
calculs liées à une analyse non linéaire des structures. Pour cela, on utilise le
spectre de calcul Sd(T) intégrant le coefficient de comportement q. Ce coefficient
permet de prendre en compte la ductilité de la structure, c’est-à-dire sa capacité à
résister aux actions sismiques au-delà de son domaine élastique.
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Le spectre de calcul Sd(T) est défini par les quatre expressions données sur la
Figure 1, conformément au § 3.2.2.5 (4)P de l’EN 1998-1. Les valeurs des
périodes TB, TC, TD, définissant les limites des branches du spectre de calcul,
dépendent de la classe de sol ; elles sont données dans le Tableau 1 (selon l’arrêté
du 22 octobre 2010).
Pour les zones de sismicité 1 à 4 Pour les zones de sismicité 5 Classes de sol
TB (s) TC (s) TD (s) TB (s) TC (s) TD (s)
A – sol rocheux 0,03 0,2 2,5 0,15 0,4 2
B 0,05 0,25 2,5 0,15 0,5 2
C 0,06 0,4 2 0,2 0,6 2
D 0,1 0,6 1,5 0,2 0,8 2
E – sol comprenant une couche superficielle d’alluvions
0,08 0,45 1,25 0,15 0,5 2
Tableau 1 : Valeurs de TB, TC et TD à prendre en compte pour l’évaluation des composantes horizontales du mouvement sismique en fonction des classes de sol
(définies dans le tableau 3.1 de l’EN 1998-1)
Ainsi, pour l’exemple d’une structure située en zone de sismicité 4 (moyenne) sur
un sol de type B et dont la période propre est comprise entre 0,05 et 0,25 seconde,
la composante horizontale FH de l’action sismique pour la méthode d’analyse
élastique s’exprime en fonction de Sd(T) par la relation suivante :
FH = m × Sd(T) = m × ag× S × 2,5/q = m × 5,4/q N
avec :
m : masse de la structure,
ag = agr × γ i = 1,6 x 1 est l’accélération du sol agr pondérée par γ i le coefficient
d’importance du bâtiment.
Les valeurs des accélérations du sol agr sont présentées dans le Tableau 2.
La détermination des zones sismiques est donnée par le décret 2010-1255 du
22 octobre 2010. Le coefficient d’importance γ i dépend de la catégorie d’importance
du bâtiment (Tableau 3).
S est le paramètre de sol, résultant de la classe de sol (Tableau 4).
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Zones de sismicité agr (m/s2)
1 (très faible) (zone blanche) 0,4
2 (faible) (zone jaune) 0,7
3 (modérée) (zone orange) 1,1
4 (moyenne) (zone rouge) 1,6
5 (forte) (zone violette) 3
Catégories d’importance du
bâtiment
Coefficient d’importance γi
I 0,8
II 1
III 1,2
IV 1,4
Tableau 2 : Valeurs des accélérations de sol selon les zones de sismicité (selon
l’arrêté du 22 octobre 2010 [3])
Tableau 3 : Valeurs du coefficient d’importance en fonction de la
catégorie d’importance du bâtiment. Les catégories de bâtiment sont
définies selon l’arrêté du 22 octobre 2010 [3].
Classes de sol S pour les zones de sismicité 1 à 4 S pour la zone de sismicité 5
A – sol rocheux 1 1
B 1,35 1,2
C 1,5 1,15
D 1,6 1,35
E – sol comprenant une couche superficielle d’alluvions 1,8 1,4
Tableau 4 : Valeur du paramètre de sol en fonction de la classe de sol selon l’arrêté du 22 octobre 2010 [3]
La Figure 1 représente les spectres de calcul normalisés (Sd(T)/ag) pour les zones
de sismicité 1 à 4, pour un coefficient d’importance égal à 1 (valeur correspondante
par exemple aux bâtiments d’habitation individuelle), pour les cinq classes de sol
définies dans la EN 1998-1.
Les cinq courbes en pointillé correspondent à une valeur de q égale à 1, les cinq
courbes en trait plein correspondent à une valeur de q égal à 3, valeur
correspondant aux panneaux de mur cloués de haute ductilité selon l’Annexe
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Nationale. Cette figure montre l’importance du coefficient de comportement q,
coefficient minorateur des efforts de calcul.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 3,25 3,5 3,75 4Période propre [s]
S d/a
g
Classe de sol A Classe de sol B Classe de sol C Classe de sol D Classe de sol E
Classe de sol A, q= 3 Classe de sol B, q= 3 Classe de sol C, q= 3 Classe de sol D, q= 3 Classe de sol E, q= 3
β=0.2
Figure 1 : Spectres de calcul en zone de sismicité 1 à 4 pour un coefficient d’importance égal à 1 et un coefficient de comportement égal à 3 ; β est un
coefficient correspondant à la limite du spectre de calcul horizontal.
Les limites supérieures des valeurs des coefficients de comportement q et
les classes de ductilité pour des exemples de structures bois sont données
dans le Tableau 5 qui reprend le Tableau 8.1 de l’Eurocode 8.
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Ductilité Exemples types de structure en bois q
DCL
Classe de ductilité faible
Consoles, poutres, arcs avec deux ou trois assemblages brochés ; treillis assemblés par connecteurs 1,5
Panneaux de murs collés avec diaphragmes collés, assemblés par clous et boulons ; treillis avec assemblages brochés et boulonnés ; structures mixtes composées d’une ossature en bois (résistant aux forces horizontales) et d’un remplissage non porteur
2 DCM
Classe de ductilité moyenne
Portiques hyperstatiques avec assemblages brochés et boulonnés 2,5
Panneaux de mur cloués avec diaphragmes collés, assemblés par clous et boulons ; treillis avec assemblages cloués 3
Portiques hyperstatiques avec assemblages brochés et boulonnés 4 DCH
Classe de ductilité élevée Panneaux de mur cloués avec diaphragmes cloués, assemblés par
clous et boulons 5
Tableau 5 : Classes de ductilité et coefficient de comportement q. Selon l’Annexe Nationale, le coefficient de comportement q
des panneaux de murs cloués est limité à la valeur de 3.
De plus, concernant les murs à ossature bois, l’Eurocode 8 propose de
suivre les règles de moyens suivantes permettant de leur affecter la classe
de ductilité élevée (DCH) :
a) les panneaux de particules ont une masse volumique d’au moins 650 kg/m3 ;
b) les panneaux de contreplaqué ont une épaisseur d’au moins 9 mm ;
c) les panneaux de particules ou de fibres ont une épaisseur d’au moins 13 mm.
Les dispositions suivantes doivent être respectées : le diamètre maximum d des
organes de fixation est de 3,1 mm et l’épaisseur minimum du panneau est de 4d.
En revanche, aucune règle de moyens permettant d’affecter une classe de
ductilité élevée n’est proposée pour les murs à ossature bois avec
panneaux OSB, alors qu’ils représentent environ 80 % du marché français
de la maison à ossature bois, devant les panneaux de particules et de
contreplaqué.
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SISMOB : résultats et perspectives
Ainsi, dans l’étude SISMOB, des essais cycliques selon la NF EN 12512,
conformément au §8.1.3 (5) de l’EN1998-1-1, ont été réalisés sur des éléments de
murs à ossature bois en OSB et en panneaux de particules selon la configuration
d’essais de la EN 594, afin :
– d’évaluer la classe de ductilité des panneaux OSB,
– et de mener des essais comparatifs avec des panneaux de particules réputés de
classe de ductilité élevée.
L’objectif de ce paragraphe est de présenter les essais cycliques menés sur les
panneaux OSB et de particules et les résultats obtenus en termes de ductilité et de
coefficient de comportement selon deux approches : la première est la méthode
d’interprétation relative aux règles Eurocode 8, la seconde est une approche
alternative basée sur l’énergie proposée dans le cadre de SISMOB.
Essais cycliques sur panneaux de murs
Les essais cycliques ont été menés sur des panneaux de type OSB et panneaux de
particules pour les quatre configurations suivantes :
– configuration (1) : 4 essais sur panneaux OSB d’épaisseur 9 mm / pointes de
diamètre d=2,1 mm et de longueur l=45 mm ;
– configuration (2) : 2 essais sur panneaux OSB d’épaisseur 12 mm / pointes de
diamètre d=2,1 mm et de longueur l=45 mm ;
– configuration (3) : 4 essais sur panneaux de particules d’épaisseur 10 mm /
pointes de diamètre d=2,5 mm et de longueur l=50 mm ;
– configuration (4) : 2 essais sur panneaux de particules d’épaisseur 16 mm /
pointes de diamètre d=2,5 mm et de longueur l=50 mm ;
L’essai monotone (Figure 2) est réalisé conformément à la norme NF EN 594 pour
déterminer VY et VU, les glissements limite et ultime. Les essais cycliques (Figures
3 et 4) sont réalisés selon les cycles de chargement conformes à la norme
NF EN 12 512.
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Figure 2 : Courbe expérimentale Force=fonction(V) de l’éprouvette en panneaux de particules de 10 mm pour l’essai monotone selon la NF EN 594
t
ν
0,75
ν y
1,00
ν y
2,00
ν y
y4,
00ν
0,25
ν y0,
50ν y
-15000
-10000
-5000
0
5000
10000
15000
-88 -66 -44 -22 0 22 44 66 88
Déplacement en mm
Force en N
Figure 3 : Cycles de déplacements selon la NF EN 12 512. Le glissement
limite Vy est déterminé à partir de l’essai monotone réalisé conformément
à la norme NF EN 594.
Figure 4 : Courbe Force=f(déplacement) pour l’ensemble des cycles selon
NF EN 12512 et courbe enveloppe en rouge pour l’éprouvette en panneaux de
particules de 10 mm
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Figure 5 : Dispositif d’essai cyclique Figure 6 : Cisaillement des pointes et déplacement des panneaux
Détermination de la ductilité cyclique et du coefficient de comportement
q selon l’approche EC8
La ductilité est déterminée à partir de la plus grande valeur du glissement pour
laquelle la réduction de résistance obtenue sous 3 cycles complets à un même
déplacement ne dépasse pas 20 %.
Le Tableau 6 présente, pour les essais sur panneaux OSB et panneaux de
particules, la classe de ductilité et le coefficient de comportement q selon la
démarche Eurocode 8.
OSB 9 mm
OSB 12 mmP 10 mmP 16 mm 2 <D<4 DCL 1,5
2 <D<4 DCL 1,51,5
Ductilité EC8 (niveau VY sans chute de 20%)
q EC8
1 <D<2 DCL 1,5
MURSClasse de
ductilité EC8
2 <D<4 DCL
Tableau 6 : Résultats d’essais (SISMOB) pour les panneaux OSB et de particules selon la démarche de l’EN 1988-1
Quels que soient l’épaisseur et le type de mur testé, cette approche aboutit à
classer les murs en classe de ductilité limitée (DCL), y compris pour les panneaux
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de particules de 16 mm que les règles de moyens de l’EN 1998-1 classent en
ductilité élevée (DCH). Ces résultats mettent en évidence que l’approche
proposée par les règles Eurocode 8, initialement développée pour
quantifier la ductilité des assemblages seuls (zones dissipatives), n’est pas
adaptée à l’analyse du comportement de composants de murs.
Détermination de la ductilité cyclique et du coefficient de comportement
q selon l’approche alternative en énergie
Cette méthode est basée sur la procédure suivante (Figure 7) :
– élaboration de la courbe enveloppe des essais cycliques de la structure et de la
courbe élasto-plastique équivalente en énergie selon la norme ASTM E 2126,
– détermination du coefficient de comportement q selon le principe d’égalité en
énergie entre la courbe élasto-plastique et le modèle linéaire équivalent.
Figure 7 : Courbes enveloppe et élasto-plastique selon ASTM E 2126 et modèle linéaire équivalent.
Les courbes cycliques ne sont pas représentées pour une facilité de lecture.
Le Tableau 7 présente, pour les essais sur panneaux OSB et panneaux de
particules, la classe de ductilité et le coefficient de comportement q obtenus par
cette approche.
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OSB 12 mmP 10 mmP 16 mm
q
3,6
5,6 3,23,1 2,3
MURS
2,5
Dc, Ductilité cyclique de la courbe enveloppe (ASTM E 2126)
Tableau 7 : Valeurs moyennes de ductilité et de q déterminées à partir de l’approche en énergie
Les principales conclusions sont les suivantes :
– la valeur de q=3,2 obtenue pour les panneaux de particules de 16 mm
correspond à la classe de ductilité élevée attendue pour ces panneaux selon les
règles de moyen de l’EC8,
– la valeur de q=2,5 obtenue pour les panneaux d’OSB de 12 mm correspondrait
à la classe de ductilité moyenne,
– cette méthode permet de déterminer des valeurs de ductilité et de coefficient de
comportement différentes pour les essais menés sur les panneaux de particules
en 10 et 16 mm, ce qui n’était pas le cas avec l’approche de l’Eurocode 8.
Cependant, cette approche présente le problème suivant : la détermination de VY
s’effectue selon la norme ASTM E 2126, mais d’autres méthodes sont
communément utilisées aux États-Unis, au Japon et en Australie. Or, les valeurs de
la ductilité et du coefficient de comportement sont directement dépendantes des
valeurs du glissement limite VY. Ainsi, les valeurs du coefficient de comportement q
obtenues par d’autres méthodes peuvent être supérieures ou inférieures d’environ
30 %.
Ainsi, il est nécessaire de calibrer ce critère en énergie. Pour cela, des
essais sous sollicitations dynamiques sur éléments de murs à ossature bois
permettraient de connaître leur comportement réel ainsi que d’évaluer un
coefficient de comportement. Il est prévu de réaliser ces essais dans une
phase suivante de ce programme prévue en 2011-2012 au Laboratoire de
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Mécanique de FCBA qui dispose d’une table vibrante depuis novembre
2010 (Figure 8).
Figure 8 : Table vibrante pour essais dynamiques au Laboratoire Mécanique de FCBA
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